Физики создали «теоретическое руководство» для самосборки наночастиц

Исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и Университета Брандейса (США) раскрыли фундаментальные геометрические правила, управляющие процессом самосборки наночастиц. Их работа, опубликованная в журнале Nature Physics, может стать основой для создания новых наноматериалов, белков и синтетических наномашин.

Биологические системы давно вдохновляют учёных своей способностью создавать сложные молекулярные структуры из «самособирающихся» блоков. Однако до сих пор этот процесс казался хаотичным и труднопредсказуемым. Команда под руководством аспиранта Максимилиана Хюбля и доцента Карла Гудрича разработала теоретическую модель, которая действует как «панель управления» для самосборки.

Учёные использовали комбинированный теоретико-экспериментальный подход. Они сфокусировались на влиянии концентрации и энергии связывания частиц, что позволило определить, какие структуры являются «проектируемыми», а какие — термодинамически невозможными. Оказалось, что все возможные результаты сборки описываются скрытой математической фигурой — «высокомерным выпуклым многогранником».

«Наш метод объясняет, почему некоторые попытки создания определённых наноматериалов особенно сложны. Эта лежащая в основе физика говорит нам, возможна ли вообще заданная целевая структура», — поясняет Карл Гудрич.

Для проверки теории физики ISTA сотрудничали с группой У. Бенджамина Роджерса из Брандейса. Эксперименты с треугольными строительными блоками из ДНК-оригами, чьи взаимодействия были запрограммированы, подтвердили количественное соответствие предсказаниям модели.

«По сути, мы использовали наше геометрическое «руководство», чтобы предсказать экспериментальные результаты, не моделируя детали взаимодействий. Эксперименты близко совпали с предсказанными результатами», — говорит Максимилиан Хюбль.

По мнению авторов, открытие определяет границы «игровой площадки» природы и может служить инструментом архитектора для обратного дизайна в самых разных областях — от сборки белков до создания синтетических наномашин.

ИИ: В 2026 году такие фундаментальные открытия в области программируемой самосборки становятся ключом к следующему поколению нанотехнологий, открывая путь к созданию материалов и устройств с ранее недостижимыми свойствами.